作者：（美）迈克斯·泰格马克 （Max Tegmark）
出版社：浙江人民出版社
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穿越平行宇宙试读：
全球顶尖科学家集体盛赞
21世纪初，人类对宇宙的探索进入了精密宇宙学时代：通过对大量天文数据的分析，对大爆炸以来的宇宙演化，人们不仅勾勒出了一幅完整图景，而且理论预言与观测高度一致，某些模型参数的测量精度甚至高达1%。《穿越平行宇宙》一书的作者是精密宇宙学时代的主将之一，提出和发展了许多宇宙学数据分析方法，也因此赢得了在学术界的地位和同行们的尊敬。但不为人知的是，他的内心却和普通孩子一样，一直渴望着去探寻那些人们通常只在科幻小说里看到的、对宇宙最疯狂的奇思妙想。本书将带你走进MIT教授迈克斯·泰格马克的内心世界，让你知道一个普通男孩是怎样从厌恶到喜欢上物理，如何成长为世界一流的宇宙学家，之后又是怎样想象和思索平行宇宙的。陈学雷国家杰出青年科学基金获得者国家天文台研究员及暗物质与暗能量研究团组首席科学家
这是一本有关多重宇宙的有趣的科普书籍。作者泰格马克教授作为世界知名的理论物理学家，在一开始就以引人入胜的故事，讲述了《别闹了，费曼先生》这本书如何激发了他对物理的学习兴趣，以至于让他偷偷选了前女友学校的物理课程，并最终从经济学专业转到了物理学专业。而从人类的认识史来看，自从人类诞生在地球上，就一直在思考着宇宙从何而来、往哪里去的终极问题。作者对这个终极问题提出了一个近似疯狂的想法：我们的宇宙实在就是数学理论的体现，宇宙存在着众多的多重宇宙。100年前，爱因斯坦也认为相对论中的黑洞仅仅存在于数学之上，而如今，黑洞已被认为普遍存在。多重宇宙，无论未来能否被验证真的存在，《穿越平行宇宙》这本书都是一本非常好的入门读物。苟利军中国科学院国家天文台研究员，中国科学院大学教授“第十一届文津奖”获奖图书《星际穿越》译者
当代年轻科学家力作精选，敲开中国科幻新世界的金砖！吴岩科幻作家，北京师范大学教授《穿越平行宇宙》这本书的前半部分讲的是现代物理学科普书里的热门话题：时空、平行宇宙、量子力学、暗物质和暗能量……但泰格马克写得特别流畅易懂，而且用了一个有个人特色的、有温度的写法。等到了后半部分，连职业物理学家都会屏住呼吸：泰格马克回答了一个看似应该留给哲学家的问题：所谓“实在”，到底是什么东西？答案是数学！宇宙和人，都是数学的一部分——如果你能真正理解这个还有争议的观点，你的世界观将会有一个跃迁。万维钢（同人于野）科学作家，畅销书《万万没想到》作者“得到”App《万维钢·精英日课》专栏作家“科学的尽头是哲学，哲学的尽头是宗教”，网络上曾流行过这样一种错误的说法。然而，每一个科学理论都有它的边界。在这个边界之外，科学家以现有的手段暂时还没有办法触及。例如，可见宇宙之外有什么？量子力学的波函数“坍缩”的时候到底发生了什么？
当我们的问题触及这个边界时，有的科学家会站在边界之内摊摊手，表示无能为力；有的科学家则会像泰格马克教授这样，带上科学的武器，大胆地向前迈出一步、两步，甚至很多步。也许他已经误入歧途，也许他正在同风车搏斗，也许他的某个不经意的想法超越了这个时代。但无论如何，这都是一个动人心魄的科学故事。我们有幸看到一位正统的科学家在践行哈姆雷特的那句名言：“即便我身处果壳之中，仍自以为是无限宇宙之王。”李剑龙理论物理学博士，科学松鼠会成员科学漫画微信公众号“Sheldon42”创始人《穿越平行宇宙》勇敢地面对了物理学与哲学交界处最深邃的问题之一：为什么数学在描述宇宙的任务上表现得如此出类拔萃？通过生动的语言和通俗易懂的解释，迈克斯·泰格马克这位世界顶级的理论物理学家为读者带来了一个可能的答案。同时，他向读者展示了，假如这个答案是正确的，将会如何改变我们对真实世界的看法。布赖恩·格林（Brian Greene）著名理论物理学家、弦理论家，《优雅的宇宙》《隐藏的现实》作者
大胆、激进、创新。一个改变游戏规则的人。如果泰格马克博士是正确的，这将在物理学与数学的关系上掀起一场范式转变，迫使我们修正教科书。所有对我们的宇宙怀揣深深忧思的人，都应该读读这本书。加来道雄（Michio Kaku）著名理论物理学家，《超越时空》《平行宇宙》作者
对于如何看待物理实在和生命，泰格马克提供了一个崭新且迷人的视角。他帮助我们从整个宇宙的语境来看待我们自身，强调了生命的未来在宇宙中的大好机遇。雷·库兹韦尔（Ray Kurzweil）未来学家，奇点大学校长，《人工智能的未来》作者
无论读者拥有什么背景，都会喜欢这本书。几乎每个人都能在这本书中学到新东西、找到值得思索的话题，或许也会找到一些不甚同意之处。爱德华·威滕（Edward Witten）著名物理学家，菲尔茨奖获得者&基础物理学突破奖获得者
科学家和业余爱好者都会觉得泰格马克这本书的信息量非常大，并且发人深思。你或许对他的理论退避三舍，但每一页都会让你期待能与他面对面地辩论这些话题。朱利安·巴伯（Julian Barbour）物理学家，《时间尽头》作者
这本鼓舞人心的书由一位真正的专家写就。本书展示了一个由物理学、数学和哲学组成的爆炸混合物，可能改变你对物理实在的看法。安德烈·林德（Andrei Linde）著名物理学家，因其在暴胀宇宙学的成就而获得格鲁伯奖和基础物理学突破奖
伽利略曾有句名言，说宇宙是由数学的语言写成的。如今，迈克斯·泰格马克则说，宇宙就是数学。你不必非要同意他的观点，就可以享受这段深入实在本质的迷人旅程。马里奥·利维奥（Mario Livio）天体物理学家，《杰出的失误》《上帝是数学家吗？》作者
在《穿越平行宇宙》一书中，泰格马克带领我们踏上了一段旋风般穿越宇宙、穿越过去与现在的旅行。通过透彻的语言，他向我们提供了一个关于宇宙的宏观认识——这个宇宙不仅包括我们自己所在的宇宙，还包括所有可能的宇宙。我们的宇宙或许很寂寞，却从不形单影只。赛斯·劳埃德（Seth Lloyd）MIT量子力学工程教授，《设计宇宙的程序》作者
跨界推荐 宇宙中不能承受之轻
余晨易宝支付联合创始人，《看见未来》作者米兰·昆德拉在其最负盛名的哲理小说《生命中不能承受之轻》中，以尼采的“永恒轮回”作为开篇：曾经一次性转瞬即逝的生活，会像影子一样没有分量，而不断重演的历史，或许才能摆脱存在的虚无而获得沉重的意义。
你是否有过深深的悔恨，叹息生活中错过的机会，失去的爱人，难以挽回的挫败，无可奈何的衰老……你是否经历过无法言喻的欣喜，那种突如其来的顿悟，两颗心灵热烈的碰撞，夏日里菩提树下的宁静，海边微风中落日余晖的绚烂……你是否有曾想过：如果我能够再活一次……其实，你曾经活过，正在活着，并且必将重活同样的人生，一切都会永恒轮回。
对于尼采来说，永恒轮回或许至多是一种哲思的推断和诗意的遐想；而在《穿越平行宇宙》中，泰格马克却告诉我们，永恒轮回是数学的确证和逻辑的必然。在遥远的时空之外，另一个你，不，无穷多个你，正在同时读着这本书。《穿越平行宇宙》是一场关于现代宇宙学的盛大巡礼，作者为我们展现了物理学前沿和哲学边界上那些令人叹为观止的奇景。这本著作的英文原名为《Our Mathematical Universe》（可直译为《我们的数学宇宙》），长久以来，科学家们一直惊叹于为何数学能够如此有效地描述我们的世界。伽利略曾说：数学是上帝用来书写自然的语言；而泰格马克却激进地认为：“宇宙不只是被数学所描述，宇宙本身就是数学。并且，宇宙不仅某些方面是数学，它的全部都是纯粹的数学，包括你我在内。”这个疯狂的想法被他称为数学宇宙假说，看似违背直觉和常识，却并不违背逻辑和理性。某种意义上，这是毕达哥拉斯学派和柏拉图主义的轮回再生：万物皆数，只有理念和形式才是绝对和永恒的存在。当我们剥开一层层的表象而看到存在的终极结构时，便会发现并没有什么像颜色、质地这样实实在在的“内禀性质”，留下的只是数字、集合、信息、模式等一组组抽象的数学关系。宇宙的本源不是沉甸甸的物理实在，而是没有“人造包袱”的轻飘飘的数学结构。宇宙、生命、意识、自我……万物的存在都被交织在一幅宏大而自洽的图景之中。你不见得能接受泰格马克教授大胆、创新且极具争议的假说，但这一切仍会让你感受到令人晕眩的理性之美，进而产生宗教般的敬畏。
当你读完这本书而仰望星空时，或许会意识到：你的所有欢乐与痛苦，所有成就与失败，所有荣耀与屈辱，所有美丽与丑陋，所有爱恨与情仇，都会在平行宇宙中一遍遍地重演，一切都似乎毫无意义，却又不可避免。在浩渺的空间和漫长的时间中，人类的存在是如此微不足道，然而，我们或许承受了这个轻虚的数学宇宙中最沉重的使命：“并不是宇宙赋予生命以意义，相反，生命将意义赋予了宇宙。”引言 穿越平行世界，找寻宇宙的终极本质
……树木的主要成分是气体，所以当它们燃烧时，这些气体又回到空气中。燃烧的火焰所释放出来的热量原本来自太阳，它们被深锁起来，并将空气变成树的一部分。而燃烧殆尽的灰烬，则是树另一部分的残骸，这一部分并不源于空气，而是来自我们脚下结结实实的地球。理查德·费曼（Richard Feynman）
天地之间有许多事情，是你的睿智所无法想象的。莎士比亚，《哈姆雷特》第1幕，第5场眼见不一定为实
一秒钟之后，我即将死去。我的脚离开自行车脚蹬，手猛捏刹车闸，但是一切都太迟了。我只看见不断闪烁的车灯和逼近的卡车。40吨钢铁，像一条喘息的巨龙，挟着沉重的呼啸向我袭来。我看见卡车司机满眼的惊恐。我感到时间仿佛变慢了，我的过往人生一幕幕闪现在眼前。那一刹那，我脑中唯有一个念头：“多么希望这只是一场噩梦！”呜呼哀哉，直觉告诉我，这一切都是真实的。
然而，我如何才能百分之百地确定这不是梦境呢？假如在被撞之前，我曾无意中瞥见一些只有在梦里才会出现的场景，会不会有转机呢？比如，我已过世的老师英格丽竟然活了过来，好端端地坐在自行车后面；再比如，5秒钟之前，我视野的左上角突然蹦出一个对话框，上面写着：“你确定不看看右边，就贸然冲出地下通道吗？”下面还有两个可以点击的按钮，分别标着“确定”和“取消”，那一切又会怎么样呢？如果我看了太多类如《黑客帝国》和《异次元骇客》的电影，也许会开始怀疑我的人生是否只是一个计算机模拟程序，甚至开始质疑我从前深信不疑的那些关于真实世界的基本假定。但是，上面所说的这些怪事，我一个也没有经历过。死亡，是唯一的证明。毕竟，还有什么会比40吨重的大卡车压过来的感觉更真实呢？
可是，很多事情并不是表面上看起来的那样，卡车，甚至“实在”本身，都是如此。这种说法不仅来自哲学家和科幻作家，还源于物理实验。一个多世纪之前，物理学家们了解到一个奇妙的事实——在坚硬钢铁的内部结构中，其实大部分都是空荡荡的空间。这是因为，占原子质量99.95%的原子核，其实只占据了原子0.000 000 000 000 1%的体积。为何近乎空无一物的钢铁摸起来却实实在在、固若金汤呢？这是因为，让原子核各就其位的力量非常强大。另外，通过仔细测量，人们发现亚原子粒子甚至能在同一时间出现在不同的位置，这是一个著名的量子力学谜题（我们将在第6章进行探讨）。
既然粒子可以同时出现在两个地方，而我又是由这些粒子构成的，那我是否也能拥有分身术呢？实际上，在车祸发生的3秒钟前，我的潜意识已经决定了是只往左看，还是为以防万一也看看右边——左边是我每天都要转向的路，通往我在瑞典时所上的文理中学，这个路口通常没什么车。1985年那个清晨的瞬间，我草率作出的决定差点儿让我丢掉小命。这一切都源自一个小小的钙原子是否要进入我前额叶皮层某个特定的神经突触，它将决定这个神经元是否发射出电信号，从而激活其他神经元，并触发一阵瀑布般奔流的神经活动，最终在我的脑中编码出一句话：“不用看右边。”此刻，假如这个钙原子同时出现在两个相去不远的地方，一个在突触外，一个在突触内，那么半秒钟后，我的瞳孔将同时瞥向两个不同的方向；两秒钟后，我将同时骑向两个相反的方向。那么，不久之后，我将同时处于“活着”和“死去”两种状态。这究竟有没有发生的可能？我们的世界是否将走向拥有不同历史的平行宇宙呢？主流的量子力学家们正在热烈地辩论着这个话题。换句话说，量子力学中最重要的薛定谔方程，是否需要一些修正呢？现在问题来了，我究竟有没有死？在这个平行宇宙中，我差点儿死掉，但最终捡回了一条命。那在其他平行宇宙中，我是否有可能已经死了？（在那里，这本书也就不可能写出来。）既然我同时处于活着和死去的两种状态，那么我们是否应该修改一下我们对“实在”的看法，让它更加名正言顺？
如果你认为我刚才所说的这些听起来荒谬可笑，只是用物理学来搅浑水，那么，当你听到我接下来要讲的个人看法时，你会更加头昏脑涨。如果每时每刻，我在不同的平行宇宙中都可能出现在不同的位置，那么不管遇到什么意外，总有一个宇宙中的我能死里逃生。下面请你想象一下，如果未来每次都会这样，那么，至少存在一个平行宇宙，其中的我会永远活下去。由于我的意识只会存在于我活着的宇宙中，那是否意味着，在主观上我会觉得自己长生不死？如果真是这样，你也能找到一个你永远不会死的宇宙，最终，你将成为这个宇宙上活得最久的人。我们将在第7章讨论这些问题。
很惊讶吧？物理学竟然揭开了“实在”的面纱，让我们看到它怪异的面目，简直超出所有人的想象。其实，这还不算太惊奇，接下来，让我们看看达尔文的进化论吧，它会让你更惊讶。对某些物理现象，我们拥有着毋庸置疑的直觉。比如，当你扔出一块石头，直觉告诉你，它一定会以抛物线的轨迹落地。这是进化的馈赠，因为这些现象对我们远古祖先的生存具有价值（这也许正是人类对棒球感兴趣的原因）。一个山顶洞人如果总在思考“物质最终由什么组成”这种问题，可能就会忽略掉潜藏在身后的老虎，而被一口吃掉，最终被清除出大自然的基因库。于是，达尔文的理论作出了一个可检验的预言：每次，当我们使用科技去窥探人类尺度之外的实在时，进化带来的直觉都会被打破。这个预言被检验了一次又一次，每一次达尔文都以压倒性的优势取胜。
比如，爱因斯坦认为，物体做高速运动时，时间会变慢。瑞典诺贝尔奖委员会那些坏脾气的委员们觉得这个想法实在太疯狂，拒绝向爱因斯坦的相对论颁发诺贝尔奖。再比如，在极低的温度下，液氦会向上飘。而在高温时，粒子相撞后会变身为其他东西，比如电子与正电子相撞会变成Z玻色子。如果仅凭直觉，我会认为这听起来就像“两辆车相撞变成了一艘游轮”一样怪异。还有，在微观尺度下，粒子就像得了人格分裂症，会同时出现在两个地方，产生我们之前提到过的量子力学谜题。而在天文学的大尺度下，咄咄怪事依然存在，比如，仅凭直觉，人类根本无法理解黑洞的性质。如果你能从直觉上理解黑洞的方方面面，那你绝对是凤毛麟角！赶紧扔掉这本书，快去出版你的理论吧，免得有人在量子引力的诺贝尔奖上抢在你前面。
让我们把尺度继续放大，还有更多怪事在等着你，那里的现实比最高级的望远镜看到的所有东西都大得多。我们将在第4章中探索宇宙的早期，关于此，主流理论叫作“宇宙暴胀”（cosmological inflation）。这个理论暗示着，空间可不仅仅只是宏大而已，它实际上是无限的，包含着无穷多个你。这些“你”，在两种不同类型的平行宇宙中，经历着所有可能出现的人生道路。如果这个理论被证实，那么，即使我前面提及的量子力学观点（“另一个我被撞死在上学路上”）存在一些谬误，在太空中极遥远之处，也可能存在着无数个太阳系，其中生活着无数个我，他们过着完全相同的日子，直到那个千钧一发的时刻到来——决定不向右看。
也就是说，不管从极小的尺度还是极大的尺度看，物理学的发现都挑战着我们对实在最基本的看法。在本书第10章，你会看到，当我们利用神经科学来钻研大脑运作的方式时，即使在人类这个不大不小的尺度下，有关实在的观点也会受到严峻的挑战。
另外，正如图0-1所显示的那样，数学方程为我们提供了一扇窥探大自然运行规律的窗口。然而，为何我们的物理世界会展现出如此极端的数学规律呢？这种数学规律非常重要，著名天文学家伽利略宣称大自然是“一本用数学语言写就的书”；而诺贝尔奖获得者尤金·维格纳（Eugene Wigner）则强调说，“数学在物理学中不可思议的有效性”简直就是一个亟待解释的神秘事件。我写作本书的主要目的正是回答这个问题。在第9章和第10章，我们将探索计算、数学、物理学和意识之间的迷人关系，并探索我的一个听起来很疯狂的信念——我们的物理学世界不仅是被数学所描述，它正是数学本身，而人类正是这个巨大的数学体中具有自我意识的一部分。我们将看到，这个信念将开启一扇门，门后暗藏着崭新的、终极的平行宇宙。这些平行宇宙是如此庞大和奇异，以至于我之前提到的所有稀奇古怪之事都将黯然失色，迫使我们放弃关于实在的那些最根深蒂固的观念。图0-1 当通过物理公式来看待世界时会发现，公式描述的是模式和规律。但对我来说，数学更像是通往外部世界的一扇窗口。在这本书里，我将告诉你，我们的物理世界不仅仅是被数学所描述，它正是数学本身；更确切地讲，它是一个数学模型。生命、宇宙、万物，终极答案究竟是什么
在遥远的远古时代，人类祖先就已经开始追问什么才是实在，冥思苦想着这些关于实在的深邃问题。一切从何而来，又向何处去？宇宙究竟有多大？这些问题是如此迷人，全世界几乎所有的人类文明都为其倾心。为此，人们创造出了各种创世神话、传说和宗教信条。这些问题太难回答，并未形成一个全球统一的答案（见图0-2）。如果所有文化都趋向一个统一的世界观，那这说不定可以成为“终极的实在”。然而事情没有那么简单，每种文化给出的答案都大相径庭，有一些则反映出人们不同的生活方式。比如，古埃及的创世神话认为尼罗河让土地变得肥沃，而我们的世界正是从水中诞生；而在我的祖国瑞典，冰与火对生存非常重要，所以古挪威神话认为，生命起源于冰与火。很神奇吧！图0-2 在漫长的人类历史上，许多思想家都曾为本书将讨论的许多关于宇宙的问题弄得神魂颠倒，然而全球并没有形成一个统一的答案。本图由MIT的研究生大卫·赫尔南德斯（David Hernandez）为我在2011年的宇宙学课程所制作。当然，这种简单的分类法并不严格，所以你可以持保留态度。因为许多宗教都有多个分支和不同的解释，还有一些可被分到多个种类中。比如，印度教在创世神话的三个分类中，都可以占有一席之地，因为根据传说，创世神梵天（图中的大神）和我们的宇宙都从一个蛋中而来，而这个蛋又是来自水。
这些终极问题，古人给出的答案都多少有点儿激进。那什么才是真实与实在呢？除去眼睛能看到的世界之外的世界，是真实存在的吗？是的！这是柏拉图在2 000多年前给出的答案。在他经典的洞穴之喻中，人就像被囚禁在一个山洞中，面朝空白的洞壁，身后的篝火将一切的影子投射在洞壁上，让人误以为婆娑摇曳的影子就是真实的世界。柏拉图认为，被我们人类认为是“实在”的一切日常事物，都只是真实世界扭曲且局限的幻影。要想真正理解真实世界，必须打破思想的枷锁。
我的物理学生涯告诉我，柏拉图是正确的：现代物理学用不胜枚举的例子证明，真实世界的终极本质并不是表面上看起来的那样。但如果物理实在不是我们认为的那样，那又应该是什么样的？我们脑中构建的内部实在与外部实在有什么关系呢？万物究竟由什么组成？世界是如何运转的？为什么呢？一切的一切，是否有一个终极意义？如果有的话，又是什么？正如著名科幻小说家道格拉斯·亚当斯（Douglas Adams）在他的科幻作品《银河系漫游指南》（The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy）中所追问的那样：“生命、宇宙和万物的终极问题的答案究竟是什么？”
纵观人类历史，各个时代的思想家对“什么是实在”这个问题作出的回应可谓五花八门——不管是试图回答它，还是忽略它。在此，我举出了一些例子（见表0-1，这个表并不完全，也并不是所有例子都互斥）。
表0-1 对“什么是实在”的一些回答
这本书（包括我的科学职业生涯）是我个人对这些问题的追寻过程。这些思想家之所以有如此花样繁多的答案，一部分原因是他们选择从不同的角度来回答。所以，关于我个人如何解释它，以及采用什么方法，在此我需要向读者们说明一下。“实在”这个词可以有很多不同的内涵。在我眼中，它指的是包含我们自身的这个外部物理世界的终极本质。为了更好地理解它，我几乎被迷住了。那么，我采用了什么方法呢？
还在上高中时的一天夜里，我读了英国女侦探小说家阿加莎·克里斯蒂（Agatha Christie）的侦探小说《尼罗河惨案》（Death on the Nile）。尽管我知道第二天早上7点就得起床，但还是无法放下这本书。一直看到凌晨4点，谜题终于被解开了。我从小就对侦探小说神魂颠倒。12岁时，我和同班同学安德里亚斯·贝蒂（Andreas Bette）、马提亚斯·博特纳（Matthias Bothner）以及奥拉·汉松（Ola Hansson）成立了一个侦探俱乐部。我们从来没有抓到过罪犯，但破解谜题却让我放飞了想象力。
对于我来说，“什么是实在”就像是一个终极的侦探故事，作为一个物理学家，我能花这么多时间来探索这个问题，实在是太幸运了。在下一章，我会告诉你，还有很多夜晚，我都被好奇心所驱使，通宵达旦地看书，直到谜题被破解。当然，还有很多夜晚，我不是在读，而是在写。我所写下的，乃是一系列数学方程，但我知道，这些方程也像侦探小说一样，能把我引领到终极答案面前。
我是一个物理学家，因此对“实在”的谜题，我采用物理学的解决方法。对我来说，我将从“宇宙有多大”和“万物由什么组成”这种问题开始，并像对待侦探谜题一样对待它们：对细致的观察结果进行梳理，坚持追踪每个线索，不管它将通向何方。破解“实在”谜题，一场智识上的终极冒险
什么？物理学的解决方法？这简直是浇灭人兴奋之火的一盆冷水嘛。我很理解这一点。每当我坐在飞机上，邻座的乘客问我做什么工作时，我都有两个备选答案。如果我当时想聊聊天，我就会回答“天[1]文学”，这将开启一段有趣的对话；如果我当时不想聊天，我就会回答“物理学”，十有八九他们就会说“哦，这是我高中时学得最差的学科”，然后就不再搭理我，我的旅程便会清静万分。
实际上，物理学也是我高中时最不喜欢的学科。我现在还对第一堂物理课记忆犹新——物理老师用单调而平淡的声音宣布：“本节课将学习有关密度的知识。密度，就是用质量除以体积。如果质量是这样，体积是这样，那么密度就是那样……”从那之后，我脑子里一片糊涂。并且，每当物理老师的实验失败，他就会将问题归咎于湿度，并说“今早还行的呢”。我的一些朋友并不知道为什么他的实验总是[2]失败，直到有一天他发现，我淘气地在他的示波器下面贴了一块磁铁……
申请大学时，我决定抵制物理学和其他科技领域，去了斯德哥尔摩经济学院，主要研究环境问题。我想为地球尽一份力，让它成为一个更美丽的星球。我发现，最主要的问题并不在于缺乏有效的技术方案，而在于没有很好地利用它们。我还发现，影响人类行为的最好方法是触动他们的钱包。创造经济刺激，让个人利己主义与公共利益结盟——这个想法把我给迷住了。然而，呜呼哀哉，我的美梦破灭了。我得出一个结论：经济学大体上是在兜售智力。说出权贵想听的话，就会得到奖赏。不管政客想做什么，都能找到某个经济学家来支持其做法。美国的罗斯福总统想要扩大政府开支，于是听从于宏观经济学大师约翰·凯恩斯（Johan M.Keynes）；而里根总统想要减少政府开支，于是转向反对政府过多干预经济的经济学大师米尔顿·弗里德曼（Milton Friedman）。
某一天，我的同学约翰·奥德霍夫（Johan Oldhoff）给了我一本书，改变了我的人生。这本书叫《别闹了，费曼先生！》（Surely You’re Joking, Mr.Feynman！）k。我从来没见过理查德·费曼，但正是他改变了我的人生道路，从经济学转向了物理学。当然，那本书的主要内容并不是讲物理学，而更像是教你如何撬开门锁和挑选女朋友，但我在字里行间感受到，这个家伙真是爱死物理学了。我被迷住了。如果你在路上看见一个长相平平的男生挽着一个倾国倾城的女孩，你一定会认为背后有什么不可言说的秘密，你可能会假设，她一定看到了他身上隐藏的闪光点。这也是我对物理学的感觉。我十分好奇，费曼到底看到了物理学的什么闪光点，是我在高中时所忽略的？
我很想解开这个谜题，所以我坐下来，开始读从老爸书柜里找到的《费曼物理学讲义》（The Feynman Lectures on Physics）第一卷。书上写道：“假如，因为某次大灾难，所有的科学知识都丢失了，只有一句话能传给下一代，那么怎样才能用最少的词汇来表达最多的信息？”
哇哦！这个家伙和我的高中物理老师真的太不一样了！费曼继续写道：“我相信这句话应该是：万物都是由原子组成的——这种永恒运动着的小微粒，当它们分开时会相互吸引，而挤在一起时又相互排斥。”
我瞬间被点亮了。就像中了魔咒一样，我废寝忘食地读啊，读啊，读啊。我觉得自己简直像经历了一场宗教式的洗礼。终于，犹如醍醐灌顶，坐地顿悟，我明白了自己一直以来忽略了什么，而这却是费曼早就意识到的：物理学是终极的智力冒险，是为理解宇宙最深层次的谜题而进行的探索。物理学并不是给有趣的事情泼冷水，相反，它让我们把周遭美丽且神秘的世界看得更加清楚。
秋天，在骑车上班的路上，我看见树叶被染成了红色、橙色和金色，它们是如此美丽。然而，用物理学的眼睛来看这些树，还能揭示出更多的美！正如费曼所说的那样，“我越看得深，就越能瞥见更多的优雅”：在第2章，我们将看到，恒星才是树木的终极来源；而在第7章，我们将看到，研究树木的组成部分，将暗示着它们也存在于平行宇宙中。
那时，我有一个女朋友，在瑞典皇家理工学院学物理，她的课本看起来比我的有趣多了。可惜我们的关系没能长久，但我对物理学的爱却延续了下来。在瑞典，大学都是免费的，所以我在没有告知斯德哥尔摩经济学院的情况下，同时也注册了她所在的大学。于是，我有了一个神秘的双重身份。我的“侦探”生涯终于正式开始了。而这本书，正是我迟到了25年的“侦探报告”。
所以，究竟什么是实在？我在此设置了一个如此大胆的主题，并不是要自负地向你推销一个终极答案（在本书后面的章节，我们会一起探索那些迷人的可能性），而是要邀请你来参加一场探险之旅，并和你分享我对这些脑洞大开的神秘问题的兴奋和思考。我想，你会和我一样，得出结论：不管实在到底是什么，它绝对和我们从前所认为的大不一样，它是一个令人陶醉的谜题，深藏在我们的日常生活中。我相信，你会和我一样，用一个全新的视角来看待所有的日常问题，比如罚单和胃痛，更容易不被它们影响，并尽情地享受生活。
当我第一次和我现在的编辑约翰·布罗克曼（John Brockman）讨论写作本书的想法时，他给我下了几道“军令”：“我不想要一本教材——我要你用心写的书。”所以，我就写出了一本有点儿像科学自传的书，不过它的主要内容是关于物理学，而不是我。当然，这本书肯定也不像你通常所读的那些科普书，那些书的作者一般都是从客观的角度来讲解物理学，主要反映科学共同体的主流观点，并为反对意见留出同样的空间。而我的这本书更像是我对实在的终极本质的个人探索。我非常希望你会喜欢我眼中的世界。在这本书里，我们将一起探索我认为最不可思议的事情，并尝试找到它们的意义。
一开始，让我们一起来看看，最新的科学进展对讨论“什么是实在”的整个大环境有何改变。从极大的尺度（第1章～第5章）到极小的尺度（第6章和第7章），科学研究如何揭开了“实在”的面纱。在本书的第一部分，我们将追问“宇宙有多大”，为此，我们将在前所未有的大尺度上，探索宇宙的起源以及第一和第二层平行宇宙。在这里，你会发现一些暗藏的线索，暗示着宇宙从某种意义上来说是数学的。
在第二部分，我们将进入亚原子的微观世界，马不停蹄地探索“万物由什么组成”。其间，你会发现新的线索，暗示着组成万物的原材料从某种意义来说也是数学的。
在第三部分，我们将回头来看看这一切对真实世界的终极本质来说意味着什么。我们会讨论，不能理解人类意识并不代表不能完全理解外部物理实在。接下来，我们将踏上神秘的旅程——也就是我最激进和颇受争议的想法：实在的终极本质就是数学。这不仅会瓦解我们熟悉的概念，比如随机性和复杂性，甚至会让它们变成幻觉。于是，最终极的第四层平行宇宙应运而生。最后，在结语部分，我们将回到一切开始的地方，也就是我们栖身的宇宙。此时，我们将讨论，对宇宙中的生命、对人类以及对你我来说，这一切意味着什么？我们对未来有什么展望呢？一段迷人的旅程正在前方等着我们，让我们开始吧！扫码关注“湛庐教育”，回复“穿越平行宇宙”，观看泰格马克教授的演讲视频，与他一起穿越平行宇宙！同时，还可获取泰格马克教授为读者制作的阅读指南，快速厘清本书脉络。
◆我认为，关于真实世界的终极本质，物理学告诉我们的最重要的事情就是：不管它到底是什么，它都绝不是表面上看起来的那样。
◆在第一部分，我们将把镜头拉远，探索极大尺度下的物理实在，从行星到恒星，再到星系和超星系团，以及我们的宇宙和两类可能的平行宇宙。
◆在第二部分，我们将把镜头拉近，追寻极小尺度下的物理实在，从原子到更小更本的粒子，并讨论第三层平行宇宙。
◆在第三部分，我们将研究奇异物理实在的终极本质，考察宇宙终极纯粹的数学性，尤其是第四层，也即最终极的一层平行宇宙中的数学结构。
◆对不同的人来说，“实在”的内涵是不同的。我所说的“实在”是指我们所存在的这个外部物理世界具有的终极本质。我从小就对这个问题很着迷。这本书是一场追寻“实在”之本质的个人冒险。跟我一起来吧！
空间……很大，真的很大。你简直不会相信它有多么广袤无垠，这超乎你的想象。道格拉斯·亚当斯，《银河系漫游指南》空间是无边无际的吗
他举起手，我示意他可以问问题。“空间是无边无际的吗？”他问道。
我惊讶得下巴快掉到地上了。哇哦！我刚刚在儿童乐园做了一场小小的天文学讲座，这是我孩子在温彻斯特幼儿园的课外活动。一群超级可爱的小朋友坐在地上，用水汪汪的大眼睛望着我，期待着我的回答。可是，这个5岁男孩刚刚问出的问题，我也不知道怎么回答啊！实际上，地球上根本没有人能准确回答这个问题。尽管这并不是一个令人绝望的形而上学问题，但却是一个严肃的科学问题，我接下来将为你作出一些明确的预测，与之有关的理论也正在被物理实验所探索。实际上，我认为这对物理实在的基本性质来说，是一个非常棒的问题。我们将在第4章讨论，这个问题将引领我们走向两种不同类型的平行宇宙。
这些年以来，我看多了世界各地的负面新闻，对人类的未来变得越来越悲观，然而几秒钟前，这个幼儿园小朋友却让我对人类的潜力重拾信心。连一个5岁的小孩子都能说出如此深奥的话，想象一下，在合适的条件下，把所有成年人团结起来，将会完成多么伟大的壮举！这个孩子也提醒了我教育的重要性。我们的好奇心与生俱来，但有时，学校教育却将其摒弃在外。我认为，作为一位教师，最主要的责任不只是传道授业，还包括重燃孩子们问问题的热情。
我热爱各种问题，尤其是那些重要的大问题。我在追寻有趣的问题上花了很多时间，这对我来说是一种幸运。更幸运的是，我还能把这种事情当成工作，赚钱养家，这简直超出了我对人生最疯狂的期待。下面我列出了16个我经常思考的问题。
问题1：宇宙空间怎么可能不是无限的呢？
问题2：在有限的时间中，如何能创造出无限的空间？
问题3：我们的宇宙会膨胀成什么样？
问题4：大爆炸是从空间中的什么地方开始的？
问题5：大爆炸是从某个单独的点开始发生的吗？
问题6：如果宇宙的年龄只有140亿年，那么我们如何能看到300亿光年远的东西？
问题7：星系退行的速度比光速还快，这不违背相对论吗？
问题8：星系是真的在远离我们，还是仅仅只是空间在膨胀？
问题9：银河系在膨胀吗？
问题10：大爆炸奇点的存在有证据吗？
问题11：通过暴胀，宇宙从虚无中生出我们周遭的万物，这难道不违背能量守恒定律吗？
问题12：是什么导致了大爆炸？
问题13：大爆炸之前有什么？
问题14：我们宇宙最终的命运是什么？
问题15：暗物质和暗能量是什么？
问题16：我们人类是微不足道的吗？
让我们一起来探索这些问题吧！在接下来的4章里，我们将回答其中11个问题。你会发现剩下的5个问题令人极其纠结。但是，首先让我们回到那个幼儿园小朋友的问题上，这将是本书第一部分的中心主题：空间是无边无际的吗？被低估的空间
我父亲曾给过我一个建议：“如果你遇到一个无法回答的难题，那么在所有你不能回答的问题里，先选择一个简单一些的问题来处理。”怀着同样的精神，让我们先问一个更简单的问题：在不与我们的观测结果相违背的前提下，空间最小能有多小？图1-1描绘了人们对这个问题的回答随着时间发展而变化的情况。从图中可以看出，几个世纪以来，这个问题的答案发生了翻天覆地的改变：今天我们已知的宇宙比狩猎的祖先们所知道的最远距离——他们一生所行走的距21离，大了10亿兆（10）倍。并且，这种视野的扩张不是一锤定音，而是屡次上演。每次，当我们有能力把窥探宇宙的镜头拉得更远一些时，就会发现，之前所发现的一切只是一个更庞大物体的一小部分。而从图1-2中可以看到，一个国家也只是一颗行星上的一小片土地，而这颗行星只是太阳系的一小部分，而太阳系只是银河系的小小一隅，银河系只是一个星系团的一个小角落，这个星系团也仅仅只是可观测宇宙的一小部分，甚至连可观测宇宙，在我看来都只是一层或几层平行宇宙中小小的一个。图1-1 从这张图中可以看到，我们认为的宇宙下限，随着时间的推移在逐渐扩大。而在纵坐标上，相邻刻度之间的差距竟有10倍之多！图1-2 每次，当我们有能力把窥探宇宙的镜头拉得更远一些，就会发现，之前所发现的一切只是一个更庞大物体的一小部分：一个国家也只是一颗行星上的一小片土地（左图1），这颗行星只是太阳系的一小部分，太阳系只是银河系的小小一隅（左图2），银河系只是一个星系团的小角落（右图2），这个星系团也仅仅只是可观测宇宙的一小部分（右图1），甚至连可观测宇宙，在我看来都只是一层或几层平行宇宙中小小的一个。
就像把头埋在沙子里的鸵鸟一样，人类总是一次又一次地假定，我们能看见的范围就是宇宙的全部了，并总是错误地认为我们人类位于宇宙的中心。在探索宇宙的漫长道路上，宇宙的大小总是一次又一次地被低估，这几乎成了一个永恒的主题。然而，图1-2却反映出第二个主题，也是我认为非常有启发性的一个主题：我们不但一次又一次地低估了宇宙的尺度，还一次又一次地低估了人类智慧理解宇宙的能力。山顶洞人的大脑与我们现代人的大脑差不多大小，当夜幕来临，既然他们不会坐在家里看电视，那么一定会仰望星空，并提出诸如“天上那些玩意儿是什么”“它们从哪里来”这样的问题。他们传颂着优美的神话故事，却没有意识到自己具有解答这些问题的潜能。秘诀不在于飞向群星深处去亲自勘察这些天体，而在于放飞你的想象。
如果你确信一件事不可能成功，于是就不去尝试，那这件事注定会失败。从事后诸葛亮的角度来看，物理学上所有重大的突破，本来都应该发生得更早一些，因为促使它发生的工具早就存在了。如果一个冰球运动员错误地认为自己的球棍坏掉了，那即使他面对一个无人防守的空门，也无法进球。在接下来的几章里，我将和你分享一些故事，你将看到，牛顿、亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann，宇宙学家、数学家）、乔治·伽莫夫（George Gamow，物理学家、天文学家）和休·埃弗雷特（Hugh Everett，物理学家）是如何克服这种“确信的失败”的。诺贝尔物理学奖得主史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）正是怀着这样的心情对我说：“在物理学的世界里，这是常发生的事情——我们并不是错在太把自己的理论当回事，而是错在太不把自己的理论当回事了。”
首先，让我们来看看如何测量地球的大小，以及地球和月球、太阳、其他恒星和其他星系之间的距离。我个人认为这是有史以来最饶有趣味的侦探故事之一，说不定正是它促成了现代科学的诞生，所以我非常急切地想要和你分享，把它作为开胃菜，放在正餐前——别忘了，正餐是宇宙学领域最新的突破性进展。正如你所看到的那样，前4个例子并不复杂，只需要测量一些角度就可以了。但它们也无不证明：对熟视无睹的日常事物提出疑问是一件多么重要的事情，因为最关键的线索可能就隐藏在其中。哥伦布的好运气
在人类最初驶向大海时，就注意到了一个事实：当船只驶向地平线时，船体总是比船帆消失得更早。这让他们开始产生一个观点：大海的表面是弯曲的，所以地球是球形的，就像太阳和月亮看起来的那样。古希腊人更是找到了直接的证据。他们发现，月食时，地球投影在月亮上的阴影是圆形的（见图1-3）。从航海中估算地球的尺度，[3]其实很容易。图1-3 在月食的过程中，月亮会穿越地球造成的阴影地带（如图中所示）。2 000多年前，古希腊天文学家、萨莫斯的阿里斯塔克斯（Aristarchus of Samos）将月食时地球投影在月亮上的阴影大小与月亮本身进行了比较，精确地推导出了月亮的大小约是地球的1/4。（延时摄影由安东尼·艾因梅米缇斯[Anthony Ayiomamitis]拍摄）
但2 200年前，古希腊天文学家埃拉托斯特尼（Eratosthenes）只巧妙地利用了一下角度，就计算出了一个更加精确的结果。他知道，夏至那天，在古埃及城市赛伊尼（Syene），正午的太阳会恰好出现在头顶；但在794公里以北的亚历山大港，此时的太阳会略偏南7.2°。这样，他计算出，走794公里的路程，相当于在地球周长的360°里绕了7.2°，那么地球的周长应该大致等于39 700公里（794×360°÷7.2°），这与现代测量的40 000公里相当接近。
令人惊讶的是，意大利航海家哥伦布却完全弄错了。他在计算里程时，错误地把阿拉伯的英里和意大利的英里搞混了，以为自己只用航行3 700公里就能到达东方。实际上，这个数字应该是19 600公里。如果他当时计算正确，可能就没人肯为他的航行埋单了。而假如美洲不存在，那他估计也早已葬身大海了。所以，有时候运气反而比正确更重要。误打误撞地解开日地距离的谜题
月食和日食，在历史上曾激发了人类无数的恐惧、敬畏和神秘的传说。实际上，当哥伦布搁浅在牙买加时，他还设法预测1504年2月29日的月食，从而恐吓当地原住民。但是，月食也曾提供了优美的线索，让人类能对宇宙的大小猜测一二。2 000多年以前，古希腊天文学家阿里斯塔克斯注意到了图1-3中的现象：当地球运行到太阳和月亮之间时，就会出现月食，此时地球投影在月亮上的影子拥有一道圆滑的曲线边缘——而地球的这个圆形影子比月亮大上了好几倍。阿里斯塔克斯还意识到，这个阴影应该比地球本身要小一点点，因为地球比太阳小。他把这个复杂性考虑进去以后，计算出地球应该比月球大3.7倍。由于埃拉托斯特尼已经计算出了地球的周长，于是阿里斯塔克斯就这样简单地用其除以3.7，就得到了月球的周长！我认为，正是这一刻，人类开始放飞自己的想象力，并开启了征服宇宙的征程。在阿里斯塔克斯之前，无数人仰望夜空，疑惑月亮到底有多大，但他是第一个真正算出结果的人。而他只用脑力就完成了这件事，并没有用火箭。
一个科学突破常常伴随着更多的发现。这一次，当人们知道了月球的大小，便明白了它与地球之间的距离。请抬起你的手，伸直手臂，看看周围有什么东西能被你的小拇指挡住。你的小拇指在视野中所覆盖的角度约为1°，大概是月亮覆盖范围的2倍——下次月亮出来时，记得验证一下哦。对一个覆盖0.5°范围的物体来说，它与你之间的距离大约等于它大小的115倍。所以，如果你坐飞机时，从窗户往外看，发现你用半个小指头就能覆盖住地面上一个50米大小的游泳池（奥林匹克运动会游泳比赛的泳池也这么大），那你就能算出飞机的航行高度大约为6 000米（115×50米）。用同样的方法，阿里斯塔克斯计算出月球与地球的距离为月球大小的115倍，差不多等于地球直径的30倍。地球和太阳之间有多远
那么，太阳距离地球有多远呢？请再次伸出你的小拇指，你会发现，太阳覆盖的角度与月亮差不多，约为0.5°。太阳肯定比月球远多了，因为日全食时，月亮几乎才刚刚能把太阳挡住。那么，太阳到底有多远呢？这取决于它有多大——假如它是月亮的3倍大，它也得是月亮的3倍远，才能覆盖同样大小的角度。
阿里斯塔克斯在他那个年代可谓顺风顺水，他聪明地解决了这个问题。他意识到，在弦月发生时，太阳、月亮和地球组成了一个直角三角形。此时，我们能看见月球正面正好有一半被太阳照亮（见图1-4）。他估算了一下，此时月亮和太阳之间的角度大约为87°。这样，他知道了这个三角形的形状，以及地球和月亮相连组成的边的长度，于是，他用三角法算出了太阳和地球相连组成的边的长度，这也正是太阳和地球之间的距离。他的结论是：太阳与地球之间的距离，大约比月球到地球间的距离远20倍，所以，它一定比月亮大了20倍。换句话说，太阳可真大啊，直径比地球大了5倍多。洞悉了这一点，阿里斯塔克斯早在天文学家哥白尼之前许多年，就提出了日心说：他认为，太阳比地球大那么多，应该是地球绕着太阳转更合理，而不是太阳绕着地球转。
这个故事具有很强的启发性，也具有一定的警示性。它不仅告诉我们聪明很重要，还告诫我们，量化我们测量的不确定性有多么重要。在第二点上，古希腊人显然不是很熟练，阿里斯塔克斯也不例外。原来，太阳正好照亮一半月亮的那一刻，并不是那么容易确定的。而且，就算确定了那一刻，月亮和太阳的角度也并不是87°，而是89.85°，和直角相差无几。这样一来，图1-4中那个三角形会变得特别细长：实际上，太阳与地球之间的距离差不多是阿里斯塔克斯估算出来的20倍远，直径也比地球大109倍——所以，你可以在太阳里装进100多万个地球。不过，这个错误直到2 000年后才被纠正。2 000年后，哥白尼更加聪慧地利用几何学知识，算出了太阳系的大小和形状。他甚至还算出了所有行星轨道的形状和相对大小。但是，他所计算出的太阳系大小仍然是实际大小的1/20——相当于娃娃屋和真实房子的差距。图1-4 通过测量弦月与太阳之间的角度，阿里斯塔克斯估算出了太阳与地球之间的距离。（这张图并不是按真实比例绘制的；实际上，太阳比地球大100多倍，也比月亮远400多倍。）恒星离我们有多远
那么，天上的其他恒星呢？它们距离我们有多远呢？它们究竟是什么东西？我认为，这是史上最“悬疑”的侦探故事之一。算出月亮和太阳各自距地球的距离已经令人印象深刻了，但至少它们都有一些现成的线索可以用：月亮和太阳在空中会饶有趣味地来来去去，改变位置，而且它们还有形状和角度可以测量。而其他恒星，要测量它们有多远，听起来简直毫无希望！它们看起来只是夜空中暗淡的小白点，你要瞪大眼睛、仔细地看啊看，结果会发现……它们依然是暗淡的小白点，根本没有可辨认的形状和大小，只是远远的一个小光点。而且，这些恒星好像从来不会移动，除了随着整个星空一起旋转——我们也知道，这并不是星空在旋转，而是地球在旋转所造成的错觉。
一些古人猜测，那些恒星是漆黑巨球上的一个个小孔，遥远的光从孔里射进来。意大利天文学家、自然科学家布鲁诺则不认同这种观点，他认为其他恒星是和太阳一样的物体，只是太过遥远了，它们甚至可能也有自己的行星和文明——天主教会很不喜欢这个观点，于是，1600年，他们把布鲁诺烧死在了火刑柱上。
1608年，突然出现了一丝希望的光芒：人类发明了望远镜！伽利略很快对其进行了改进，并用自己设计的最先进的望远镜凝望那些遥远的星星。结果，他看见了……竟然还是暗淡的小白点！一切又回到了起点。我记得，很小的时候，我在祖母的钢琴上弹奏“一闪一闪亮晶晶”。在这首《小星星》首次发表的1806年，里面那句“How I wonder what you are”（究竟何物现奇景）回荡在许多人的脑海里，但却没人真正知道这个问题的答案。
如果真如布鲁诺所认为的那样，其他恒星只是遥远的太阳，那它们一定比太阳远多了，因为只有异乎寻常的遥远，才会让它们显得如此暗淡。那么，它们距离我们究竟有多远呢？这取决于它们到底有多亮。这也是我们很想知道的问题。在《小星星》发表的32年后，德国数学家、天文学家费里德里希·贝塞尔（Friedrich Bessel）终于在这个“悬案”上有了突破。请你伸直手臂，竖起大拇指，交替闭上左眼和右眼几次。看到了吗？你的大拇指在背景画面中以固定的角度跳来跳去，忽左忽右。接着，移动大拇指，让它离你的眼睛越来越近，你会发现，它跳跃的角度在变大。天文学家把这个跳跃的角度叫作“视差”（parallax）。利用这个视差，你能清楚地算出你的大拇指有多远。你不用担心计算的问题，因为在你不经意间，你的大脑已经帮你算出来了——大脑能根据物体在两只眼睛中的不同角度来判断它的距离，这对深度知觉的形成至关重要，也正是这样的能力让我们能看到三维立体的东西。
两只眼睛之间的距离越大，我们对遥远物体的深度知觉就越好。在天文学上，我们同样可以利用这种视差的小把戏，假装我们拥有两只距离3 000亿米的眼睛，这正是地球绕太阳旋转的轨道直径。我们能做到这一点，是因为我们能将相隔6个月时间拍摄的望远镜照片进行对比，在这两个时间点，地球位于太阳的两端。贝塞尔就这么做了。结果，他发现，在这两张照片中，尽管大部分恒星的位置几乎都没变化，却有一颗特立独行的恒星：它有一个晦涩的名字叫“天鹅座61”（61Cygni）。这颗恒星移动了一个很小的角度，可以算出从它的距离约是太阳距离的100万倍——这个距离非常之远，它的星光到达地球需要11年，而太阳光到达地球却只需要8分钟。
不久以后，又有一些恒星的视差被测量出来，这样，我们终于知道了这些暗淡小白点的距离！这是如何计算出来的呢？在夜晚，当一辆车离你远去时，你会发现尾灯的亮度与距离的平方成反比（也就是说，离你2倍远时，亮度下降4倍）。关于天鹅座61，由于贝塞尔知道了它的距离，利用这个平方反比的关系，他计算出了它的亮度。他的结果是，天鹅座61的亮度与太阳相差无几，也就是说，布鲁诺的观点一直都是正确的！
差不多在同一时间，采用另一个完全不同的方法，人们又取得了另一个重大突破。1814年，德国眼镜商约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫（Joseph von Fraunhofer）发明了一个名为“光谱仪”的装置，它可以根据光的组成，将其分解成彩虹般的色谱，并观察它们精致的细节。他发现，在彩虹般的色带里，有一些神秘的暗条（见图1-5），而这些暗条在光谱中的位置取决于光源的材料，就像光的指纹一样。接下来的几十年里，人们仔细研究和测量了这些光谱，并根据常见的物质对它们进行了分类。用同样的知识，在夜店里，你可以给朋友们玩一个小把戏，通过灯光的颜色来猜测物质的成分，而不用靠过去仔细查看。图1-5 我儿子亚历山大拍到的这个彩虹，并不会给我们带来黄金，而更像是一个知识的金矿，告诉我们原子和恒星的运转方式。在第6章，我们将会一起探索，不同颜色的相对强度是因为光是由微小的粒子（光子）组成的。那些暗条的位置和强度也可以用量子力学中的薛定谔方程计算出来。
令人们始料不及的是，对太阳光谱的分析证明，太阳这个挂在天边的神秘的炙热圆球，竟然是由地球上常见的元素组成的，比如氢元素。并且，用光谱仪分析望远镜看到的星光后，人们发现其他所有恒星的成分和太阳几乎完全一样，都是由一些气体元素混合而成！这再一次证明了布鲁诺是正确的：其他恒星的确就像是遥远的太阳，不管从释放的能量还是从组成的成分来看，都是如此。因此，短短几十年里，恒星们从神秘莫测的小白点，变成了燃烧着炽热气体的巨球，我们甚至可以测量出它们的化学成分。
光谱，就是天文学家的金矿。每次你认为自己已经了解了它的所有秘密时，它都还会用更多神秘的线索来证明你的肤浅。比如，光谱能让你测量出一个物体的温度，而不用温度计去接触它。不用摸，你就知道一块烧白的铁比烧红的铁更烫。同样，白色的恒星比红色的恒星更加炙热。通过光谱仪，你能精确地测量出它的温度。然而，这并不是光谱能告诉我们的全部：通过光谱信息，你还能知道一颗恒星的大小。这很像做填字游戏，填出一个词就能暗示出下一个词。那么，通过温度如何能得知恒星的大小呢？秘诀在于，温度可以告诉我们恒星表面每平方米释放出多少光。如果算出恒星总共发出了多少光（通过它的距离和视亮度），你就能算出恒星的表面积，也就能算出它的大小了。
这还不够。恒星光谱中还暗藏着关于它运动的线索。随着恒星的运动，光线的频率（也就是光的颜色）会发生轻微的偏移，这被称为“多普勒效应”。想感受一下多普勒效应，就去听听马路上的汽车吧：当汽车靠近你时，声音的频率会变高；当它们飞驰而去时，声音又会变低。和我们的太阳不同，许多恒星都有一颗伴星，它们处于稳定的双边关系，组成一个双星系统，绕着对方规律地旋转，就像在跳圆舞曲。这种恒星圆舞曲也会表现出多普勒效应，使得它们的光谱周而复始地移来移去，每转一圈就循环一次。光谱移动的大小，暗示着它们运动的速度。通过观测，我们有时还能测量出双星之间的距离。将这些信息汇集在一起，我们就能使出大招了：不通过天秤就能称出恒星的重量。我们的秘诀就是牛顿运动定律和万有引力定律，根据观测到的轨道，计算出质量。有时，多普勒效应甚至能告诉我们，某些恒星周围竟然也有行星在绕着它们旋转。当一颗行星运行到恒星前方时，恒星的亮度会轻微地降低，这能让我们算出行星的大小；而光谱中的细微变化则能告诉我们这颗行星是否有大气层，甚至能告诉我们大气层的成分。光谱线就像是一个神奇的礼品盒，可以不停地从中掏出神奇的礼物。比如，如果我们知道一颗恒星的温度，那测量光谱线的宽度就能算出它的气压；测量光谱线分裂成多少邻近的支线，我们就能算出它表面的磁场有多强。
总之，恒星发出的暗淡光线中，隐藏着数不尽的秘密。通过精密的测量和分析，我们能解码出它们的距离、大小、质量、成分、温度、压力和磁场，还能知道那里是否也有一个星系类似我们的太阳系。人类竟然能从神秘莫测的小白点中，推导出如此丰富的知识，这实在是一个壮举。我想，史上最厉害的神探夏洛克·福尔摩斯和赫尔克里·波洛（Hercule Poirot），也一定会为我们感到骄傲！从百万到十亿再到万亿，不断刷新尺度的星系
我的祖母西格纳去世时，已有102岁高龄。她离开时，我花了很多时间回忆她的人生。令我惊讶的是，她竟然生长在一个完全不同的宇宙观中。当她上大学时，我们对宇宙的认识仅仅只是太阳系加上它周围的一堆星星。我的祖母和她的朋友或许也曾想过星星有多么遥远、它们的光线到达我们需要很长时间（少则几年，多则上千年）。而如今，我们已经知道，哪怕是距离我们上千光年的星星，也只是我们“宇宙后院”的邻居而已。
如果祖母的大学里有天文学家，那么他们一定曾辩论过“星云”是什么，这是一种云彩一般的天体，弥散在夜空中，有的还拥有美丽的旋涡，就像凡·高的名画《星夜》（Starry Night）描绘的那样。这究竟是什么东西呢？当时许多天文学家认为，它们只是无聊的宇宙气体云，飘浮在恒星之间。但有的天文学家却持有更激进的观点，认为它们是“岛宇宙”，今天被称为“星系”。这是由恒星组成的庞大集合，由于太过遥远，用望远镜也无法看清每一颗星星，所以呈现出一抹朦胧的光霾。为了解决这个争端，天文学家们需要测量这些星云的距离。那么，用什么方法来测量呢？
视差测距的方法，对较近的恒星很有效，但在星云上却无计可施：它们太过遥远，视差太小了，根本无法观测。还有什么方法能测量遥远的距离呢？想象一下，如果你用望远镜观察一个遥远的灯泡，发现上面竟然印着“100瓦”的字样，这就好办多了：你只需要利用前面说过的平方反比关系，根据它的视亮度，就能计算出这个灯泡的距离。天文学家把这种拥有固定亮度的物体叫作“标准烛光”（standard candles）。然而，天文学家们沮丧地发现，恒星根本和“标准”二字无缘，它们的亮度千差万别，有的比太阳亮百万倍，有的只是太阳26亮度的几千分之一。但是，如果你观察到一颗恒星上标着“4×10瓦”（这正是太阳的瓦数），你就得到了一个标准烛光，并能算出它的距离，就像那颗灯泡一样。不幸中的万幸，大自然赐予了我们这种标准烛光，它是一种特别的恒星，叫作“造父变星”（Cepheid variables）。造父变星的亮度会随时间来回变化，与此同时，其大小也在发生着周期性的变化。1912年，哈佛大学天文学家汉丽埃塔·勒维特（Henrietta Swan Leavitt）发现，造父变星的脉动频率正像一个
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